成果简介
通过化学气相沉积 (CVD) 在广泛使用的电介质/绝缘体上生长石墨烯是实现先进复合材料的 CVD 石墨烯无转移应用的一种策略。本文，北京大学与北京石墨烯研究院刘忠范-亓月课题组在《NAT COMMUN》期刊发表名为“Graphene-skinned alumina fiber fabricated through metalloid-catalytic graphene CVD growth on nonmetallic substrate and its mass production”的论文，研究通过在商用氧化铝纤维/织物（AFs/AFFs）上进行石墨烯 CVD 生长，开发出了石墨烯蒙烯氧化铝纤维/织物（GAFs/GAFFs）。
我们揭示了非金属基底上的气相-表面-固体生长模式，该模式不同于传统非催化非金属基底上成熟的气相-固体模式，但与催化金属基底上观察到的模式更为相似。在 AFs/AFFs 上进行石墨烯的金属催化生长，与在具有代表性的非金属对应物石英纤维上的生长相比，生长温度更低（低约 200 °C），生长速度更快（快约 3.4 倍）。制造出的 GAFF 具有大范围可调导电性（1-15000 Ω sq-1）、高抗拉强度（>1.5 GPa）、轻质、柔性和分层宏观结构。这些特性同时继承自石墨烯和 AFF，使得 GAFF 在电加热和电磁干扰屏蔽等各种应用中大有可为。除了实验室水平的制备，我们还通过自制的卷对卷系统实现了大规模 GAFF 的稳定量产，根据产品规格的不同，年产量可达 468-93600 平方米，为这种材料的后续产业化奠定了基础，使其在各行各业得到广泛应用。
图文导读
图1：石墨烯蒙烯氧化铝纤维（GAF）的制备和表征。
图2：石墨烯CVD在氧化铝纤维（AF）和石英纤维（QF）上的生长行为比较。
图3：石墨烯在γ-Al2O3-AF 上的 CVD 生长机理。
图4：GAFF 的电气和机械性能。
图5：利用自制的卷对卷 CVD 生长系统批量生产 GAFF。
小结
在催化金属基底上进行石墨烯 CVD 生长有望实现高质量石墨烯的批量生产，然而，其实际应用仍然受到随后在目标使用基底上复杂的剥离转移过程的阻碍。在本研究中，通过在市场上可买到的非金属 AF/AFF 基底上直接进行石墨烯 CVD 生长，开创了GAF/GAFF的先河。值得注意的是，在γ-Al2O3-AF 上生长石墨烯的过程中，首次在非金属衬底上发现了石墨烯独特的 VSS 生长模式，这与在传统催化惰性非金属衬底上观察到的众所周知的 VS 生长模式截然不同，从而导致了石墨烯相对快速的低温生长。所提出的 VSS 生长模型大大推进了我们对非金属基底上石墨烯 CVD 生长的理解。除了实验室水平的 GAFF 制备，我们还实现了大规模 GAFF 的稳定量产。这一成果为该材料的产业化奠定了坚实的基础。所获得的 GAFF 具有分层导电结构、高强度、轻质、柔性和薄厚度等特点，是一种有望用于电加热和 EMI 屏蔽等多种应用领域的先进材料。GAF/GAFF 背后的设计策略为石墨烯材料的开发引入了一种创新方法，即原子级薄石墨烯可以搭乘商用工程材料载体的便车，实现实际应用。
文献：https://doi.org/10.1038/s41467-024-51118-x
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